Audiotechniek

Akoestiek in de luisterruimte (1)

© Theo Wubbolts, september 2019

Akoestiek - 50% bepalend voor het resultaat: resonanties

Men zegt vaak dat luidsprekers de belangrijkste schakel zijn in een HiFi-installatie. Dat is slechts ten dele waar. Beter is het te spreken over de moeilijkste schakel. Want ga maar na; u bent niet altijd in staat om de luidsprekers op de ideale plek te positioneren in een ruimte als de woonkamer, dat wil zeggen in een gelijkbenige of gelijkzijdige driehoek tussen het luidsprekerpaar aan de ene kant en de luisterpositie er tegenover. Je moet rekening houden met de wensen van de huisgenoten en de inrichting van diezelfde woonkamer, tenzij je in de gelegenheid bent om een aparte muziekkamer er op na te houden.

Daarnaast is het zaak dat de luidsprekers geen of nauwelijks 'last' van reflecties van zowel zijmuren, plafond en vloer mogen ondervinden. Deze reflecties verstoren immers het directe geluid dat uit de luidsprekers moet komen. Zeker in een akoestisch 'harde' kamer - weinig meubilair en stoffering - spelen deze reflecties een uitermate storende rol in het genieten van muziek. Die hardheid van de kamer is trouwens gemakkelijk te duiden als u en uw huisgenoten veel galm ondervinden tijdens de conversatie.

Verder in dit artikel wordt dieper ingegaan op de specifieke problematiek, maar voor nu eerst een paar praktische tips.

Dan nu een uitgebreide verhandeling over akoestiek in een interview met Frank Imholz, oprichter en eigenaar van Rivasono onder de veelzeggende naam:

'Tot u spreekt de kamer'
Met deze titel verscheen in de negentiger jaren een brochure bij de firma TransTec, importeur van onder andere kwaliteitsapparatuur voor de huiskamer van KEF, Nakamichi en QUAD. Het was een Nederlandstalige bewerking van een essay van Peter Walker, oprichter van QUAD, dat in Hi-Fi News & Record Review was gepubliceerd (August 1991 pag. 33 t/m 37) en bewerkt door Henri A. van Hessen (directeur en eigenaar van TransTec). Het vond veelvuldig aftrek in de klantenkring van weleer, maar is vandaag de dag nog steeds actueel (u vindt het ook op deze site: klik hier).

Aangezien in die jaren de akoestiek van de ruimte van weergave - lees: de huiskamer - door de aankleding en inrichting vaak een andere was dan vandaag de dag, speelt het juist nu een steeds prominentere rol in de weergave van (eigen) spraak en muziek afkomstig van de HiFi-installatie of het zelf te bespelen instrument. Maar ook al ben je tevreden over je set en is de akoestiek van de ruimte van weergave naar eigen dunken goed, toch is er nog een enorme 'slag' te maken met relatief kleine ingrepen die bovendien interieur-vriendelijk zijn.

Van belang hierbij is je te realiseren dat akoestiek geen 100% exacte wetenschap is; het is niet zwart-wit, er zijn altijd uitzonderingen. Daarbij hoort iedereen anders en heeft een eigen smaak en verwachtingspatroon.

Akoestiek, is dat belangrijk?
Ja, je luistert graag naar muziek, een mooie live concertregistratie of uitgekiende studio-opnamen. Deze bron-informatie wordt versterkt en vervolgens weergegeven door je luidsprekers. Tenzij je deze buiten hebt staan, wordt het door de speakers uitgezonden geluid teruggekaatst door allerlei objecten in de kamer en tussen de wanden en de vloer en plafond. Vandaar wordt het nog vele malen heen en weer gekaatst, waarbij iedere keer dat het geluid een object zoals een wand raakt er iets door dat object wordt opgenomen en de rest wordt gereflecteerd. Daarbij zijn we gelijk aan een akoestisch effect beland: het beïnvloeden van de balans tussen lage, midden en hoge tonen doordat elk oppervlak bepaalde tonen wel absorbeert en andere niet of minder absorbeert.

Hoe kleiner de kamer, hoe sterker het geluid dat van de wanden teruggekaatst wordt. Omdat geluid tijd nodig heeft om een zekere afstand af te leggen (denk maar aan het verschil tussen het zien van de bliksem en het horen van de donder), zal de reflectie van de wand in een kleine kamer dus sneller na het oorspronkelijke geluid je oor bereiken dan in een grotere kamer. Naast andere zaken, gebruiken we dit effect onbewust om te kunnen horen of we ons in een grote of kleine ruimte bevinden.

Maar hoe is de verdeling van dat geluid?
In een huiskamer en luisterruimte van gemiddelde afmetingen is de hoorbare invloed van alle reflecties ongeveer 50%, de andere 50% is het direct door de speakers uitgestraalde originele geluid. Bij kleinere huiskamers of luisterruimtes kan dat oplopen tot 70% reflecties en 30% direct geluid. We horen dus voor minstens de helft de kamer!

Natuurlijk geldt ook hier 'garbage in = garbage out', dus het is van belang dat het geluid uit de speakers op zich van goede kwaliteit is. Maar omdat de kamer zo'n grote invloed op het totale hoorbare geluidsbeeld heeft, is het van belang aandacht aan de akoestiek te besteden. Oók als je overweegt een nieuw apparaat of kabels aan te schaffen, op zoek naar beter geluid of omdat je bepaalde problemen wilt voorkomen.

Is de kamer daarmee een belangrijke audiocomponent?
Een middelmatige stereo-set in een akoestisch goede kamer klinkt beter en vooral ook rustiger en minder vermoeiend dan een top-set in een kamer met grote problemen zoals dreunend laag of teveel galm.

Omdat de akoestiek zo een grote invloed heeft, kunnen we vaak met relatief kleine en ten opzichte van de kosten voor de meeste apparatuur, relatief voordelige aanpassingen al duidelijk hoorbare verbeteringen realiseren. Gelukkig zijn er steeds meer producten die in de huiskamer 'onzichtbaar' kunnen worden toegepast, waardoor het er niet als een studio eruit hoeft te zien en ze toch hun goede werk doen.

In een aantal artikelen richt ik mij specifiek op de effecten van akoestiek bij weergave van stereo en surround. Vele akoestische verbeteringen hebben echter ook een gunstige invloed op weergave van tv-geluid, een betere spraakverstaanbaarheid en meer rust in huis.

Geluid in de huiskamer, luisterruimte en thuisbiosocoop; akoestiek, is dat belangrijk?
Zoals we eerder hebben gezien, horen we voor een groot deel de reflecties van de kamer en drukt elke kamer zijn eigen stempel op de muziekweergave. Elke kamer heeft dus zijn eigen 'akoestiek' of 'toonbalans', met beïnvloeding van het geluid in hoe sterk het geluid in de diverse frequenties (toonhoogten) klinkt en hoe lang het in de ruimte heen- en weerkaatst tot het uitgestorven is.

Weergave van een meting hoe sterk het geluid in de kamer klinkt (SPL) bij de frequenties van 20 tot 20.000Hz. Het bronsignaal was een rechte lijn, op alle frequenties even sterk. De blauwe grafiek is het resultaat van wat de kamer ervan maakt door versterking en verzwakking.

Je legt dus als het ware een akoestiek over een akoestiek?
Ja, want in de opname zit ook een akoestische 'footprint'; namelijk die van de concertzaal waarin het concert is opgenomen of, in geval van een studio-opname, de later toegevoegde ruimtelijkheid. Bij de weergave thuis wordt dus de akoestiek van je kamer 'over' die van de opname gelegd. Dat verklaart gelijk voor een deel waarom sommige opnamen erg goed klinken in jouw kamer en andere opnamen niet, terwijl deze ergens anders weer beter klinken.

De eigen akoestiek van een 'levendige' kamer zal in het algemeen de weergave van klassiek en akoestische live-opnamen gunstig ondersteunen, terwijl een meer 'droge' kamer beter werkt voor studio-opnamen van elektronische instrumenten en drums. Ook persoonlijke smaak; een breed, ruimtelijk stereobeeld of een meer diepe en precieze weergave kunnen gewenst zijn. In de praktijk hou ik hier bij mijn akoestische adviezen rekening, temeer omdat deze effecten met akoestische aanpassingen (binnen grenzen) te beïnvloeden zijn.

Zo zal ik, nog afgezien van muzieksmaak en voorkeuren, iemand met speakers in de lengterichting in een Amsterdamse pijpenla anders adviseren dan iemand die over de breedte van kamer luistert.

Overigens gelden de in deze artikelen beschreven akoestische zaken zowel voor de huiskamer, de luisterruimte als de thuisbioscoop. Het zijn immers allemaal kamers waarbij reflecties optreden.

Ook de door mij geadviseerde oplossingen zijn in alle gevallen toepasbaar, hoewel de akoestische tuning van een thuisbioscoop anders kan zijn dan die van een luisterruimte, waarin uitsluitend muziek wordt weergegeven. In een aparte kamer voor een thuisbioscoop of luisterruimte kunnen vaak meer 'zichtbare' akoestische aanpassingen worden gedaan, dan in een huiskamer, waardoor het resultaat nog meer 'op smaak' kan worden gebracht en er bijvoorbeeld van een kleine kamer een veel groter klinkende kamer gemaakt worden. Als je daarin na enige tijd luisteren weer je ogen open doet, schrik je weer van de nabijheid van de wanden...

Op een van je lezingen hoorde ik je "The Good, the Bad and the Ugly" aanhalen. Wat bedoel je daarmee?
Eerst even dit. Omdat ik in deze artikelen de belangrijkste zaken uit de praktijk willen behandelen en niet de pretentie heb om het een wetenschappelijk essay te schrijven, kunnen we stellen dat voor audioweergave in de huiskamer of luisterruimte, alle akoestische effecten worden bepaald door de reflecties van het oorspronkelijk door de luidsprekers uitgezonden geluid tegen de wanden, plafond, vloer en objecten die zich in de kamer bevinden.

Een deel van het oorspronkelijke geluid wordt hierdoor geabsorbeerd, een deel in één richting gereflecteerd en een deel naar allerlei richtingen verstrooid. (En een, hopelijk klein deel, van het geluid gaat ook door de wanden. Het zijn daarbij overigens vooral lage tonen, deze hebben hier meer energie dan hoge tonen. Vandaar dat we, als we iets van de buren horen, het de lage tonen zijn).

Bij audioweergave in de huiskamer en luisterruimte kunnen we de belangrijkste akoestische issues opdelen in drie gebieden. Twee daarvan moeten we in zien te voorkomen dan wel verminderen en één kan juist veel bijdragen tot een betere weergave. Vandaar dat ik ze hier "The good, the bad and the ugly" noem.

Lage tonen resonanties / transitiefrequentie, van klankkast naar spiegelzaal
Van de twee die te vermijden zijn begin ik met 'the Bad'; lage tonen resonanties. Voor audioweergave zijn deze resonanties met name in het lage-tonen gebied van belang, ongeveer tot 250Hz. Rond deze frequentie, genaamd transitiefrequentie, gaan de meeste kamers over van effecten van resonanties, die geluid plaatselijk versterken en verzwakken, naar effecten van korte reflecties. Van klankkast naar spiegelzaal, zeg maar.

Op de meting van de geluidsdruk op de luisterpositie zijn deze twee gebieden duidelijk te onderscheiden. Onder de 250Hz grote uitslagen in de geluidsdruk; daarboven veel minder sterk en meer geleidelijk.

Verdeling van de kamer in twee gebieden: onder 250Hz resonanties, met sterke pieken en dalen en boven 250Hz de reflecties.

Resonanties
Geluid bestaat uit luchtbewegingen, meestal in een golfvorm. Bij de golfvorm hoort ook de golflengte; hoe hoger de toon, hoe korter de golflengte, hoe lager de toon, hoe langer de golflengte. Een hoge toon, bijvoorbeeld 10.000Hz, heeft een golflengte van 3,4 cm, bij een frequentie van 1.000Hz is dat 34 cm en bij 100Hz inmiddels 3,4 meter.

Bij geluid in afgesloten ruimtes treedt een bijzonder effect op: geluid waarbij de helft van de lengte van de golf gelijk is aan de afstand tussen de uiteinden, zoals de tegenoverliggende wanden, zal daardoor enorm worden versterkt. In de akoestiek wordt dit de resonantiefrequentie genoemd. Bijvoorbeeld een kamer met een lengte van 6 meter heeft een resonantiefrequentie van ca. 28Hz. Als we in deze kamer geluid laten horen met deze frequentie zal dit op bepaalde plekken in de kamer zeer sterk worden waargenomen, terwijl geluid met een frequentie van bijv. 20 of 35Hz niet specifiek harder te horen is.

Dit sterk resoneren komt overigens vaker voor; als je het water in bad op een bepaalde snelheid heen en weer beweegt, klotst het over de rand. Muziekinstrumenten ontlenen vaak hun eigen, herkenbaar, geluid aan de eigenresonantie van de snaar en/of kast.

Het kan ook ernstiger vormen aannemen, zoals in de jaren '40 in America, waarbij een brug instortte nadat deze door de wind in eigenresonantie was gekomen.

Gelukkig zal dit in de huiskamer of luisterruimte niet zo dramatisch eindigen, maar er is een aantal zaken om rekening mee te houden.

Harmonischen
Behalve de hierboven beschreven resonantiefrequentie zal het versterkend effect ook optreden bij 2x, 3x, 4x en 5x de resonantiefrequentie. Dit zijn de harmonischen van de resonantiefrequentie. Dus in het voorbeeld van hierboven: resonantiefrequentie is 28Hz, harmonischen op 56, 84, 112 en 140 Hz. Op zich zijn er veel meer harmonischen dan deze, maar naarmate ze van hogere orde zijn, zijn ze in de praktijk voor ons niet meer van belang.

Drie dimensies
Eerder hebben we gezien dat de resonantiefrequentie de toonhoogte is waarbij de halve golflengte precies 'past' tussen de twee wanden van een kamer. Nu heeft een normale kamer niet alleen een voor- en achterwand, maar ook twee zijwanden en een plafond en vloer.

Er zijn dus drie resonantiefrequenties: tussen de voor- en achterwand, de zijwanden en het plafond en vloer. Naast deze drie resonantiefrequenties komen ook de daarbij optredende harmonischen van 2x, 3x, 4x de resonantiefrequentie voor.

In een normale kamer met drie dimensies hebben we hierbij dus in de praktijk te maken met 3x5=15 frequenties die in de gaten gehouden moeten worden, alle onder 250Hz.

Samenvallend
Vervelend wordt het als de resonantiefrequentie of de frequentie van de harmonischen dicht bij elkaar liggen. Geluid waarvan deze frequenties minder dan 5Hz verschillen zal op bepaalde plaatsen in de kamer erg sterk en op andere plaatsen erg verzwakt hoorbaar zijn. Omdat deze frequenties in relatie staan met de maten van de kamer, zal ook de mate waarin de resonantiefrequentie en de harmonischen al dan niet samenvallen, afhankelijk zijn van de verhouding tussen lengte, breedte en hoogte van de kamer.

Het meest ongunstig hierbij een kamer met gelijke dimensies of waarbij de breedte bijvoorbeeld de helft is van de lengte. In deze situaties zullen er enorme uitslagen zijn in sterkte van het waargenomen geluid.

Wat horen we dan?
De pieken en dalen in sterkte in de weergave van lage tonen bevinden zich in de praktijk in het bereik tussen 20 en 250Hz. De nadelige effecten van resonanties kunnen bijvoorbeeld een sterke weergave bij 30Hz en een dip in de sterkte bij 60Hz zijn. Effect is dat er voor je gevoel geen echt laag uit de speakers komt, behalve bij de allerlaagste tonen in de muziek rond 30Hz.

Minstens zo storend is een effect dat de weergave in het bereik 100 tot 200Hz te sterk is. Het gehoor is gevoelig voor deze frequenties en deze toonhoogten komen relatief vaak in de muziek voor (veel vaker dan de allerlaagste tonen). Als muziek in dit gebied te sterk wordt weergegeven, dan wordt vaak het afspeelvolume hierop afgestemd en worden muziekdetails die rondom dit bereik liggen gemaskeerd en te zwak weergegeven en zijn daardoor niet goed hoorbaar. Ze zitten wel in de CD, plaat of stream, maar zijn niet goed hoorbaar.

Als je het slecht treft dan is er zowel een 'te dikke' weergave in het bereik tussen 100 en 200Hz en tegelijk een dip rond 50-60Hz, waarbij voor je gevoel het ene effect het andere nog sterker hoorbaar maakt. Een dik hoger-laag en geen echt diep en rustig laag. Deze effecten treden op, ook en juist bij grote speakers en bij topkwaliteit audiocomponenten, omdat hiermee de kamer-resonanties goed worden aangestuurd en opgewekt.

Wat zijn de oplossingen?
De luisterpositie van grote invloed op het horen van laag-weergave. Iedereen zal wel eens gemerkt hebben dat de lage tonen in de muziek op de ene plek in de kamer sterker klinken dan op de andere plek. In het lagetonen bereik zijn de pieken en dalen in de sterkte van het geluid, veroorzaakt door resonanties, sterk plaats-afhankelijk. De verdeling met zones waarbij het geluid erg sterk of erg zwak klinkt, volgen een van te voren vaststaand patroon.

Omdat we meestal op gelijke afstand van de linker en rechter speakers luisteren en vaak in een huiskamer, luisterruimte of thuisbioscoop in het midden van de breedte van de kamer, kunnen we daar niet zoveel aan veranderen. Dat geldt ook voor de hoogte. De enige richting waarin we kunnen variëren is in de lengte van de kamer. Het naar voren of naar achteren schuiven van de luisterpositie heeft veel invloed op de pieken en dalen in de sterkte van de resonantiefrequenties.

Oplossing 1: 38%
Een goede methode om te beginnen is om zoveel mogelijk op 38% van lengte van de kamer te luisteren. Dus als de totale lengte van de kamer bijvoorbeeld 6 meter is, dan is de positie 2,28 meter. Het beste is 2,28 meter vanaf de voorwand (daar waar de speakers staan). Vaak levert dit een luisterpositie op waarbij je relatief ver vooraan in de kamer zit. Een goed alternatief is 38% vanaf de achterwand; in het voorbeeld bij 6 meter lengte, 2,28 meter vanaf de achterwand.

Op deze 38% zijn de pieken en dalen bij de lage tonen, veroorzaakt door de resonanties, zo gelijkmatig mogelijk verdeeld. Dit is een vuistregel die geen rekening houdt met de werkelijke kamer en kamerinrichting, maar wel een bruikbaar startpunt biedt.

Vanaf deze luisterpositie van 38% van de lengte, kan daarna nog een halve meter naar voren of naar achteren geschoven worden, hierbij letten op een zo gelijkmatige weergave van lage tonen. Als daarna de beste luisterpositie gevonden is, dan (in de ideale situatie) de luidsprekers zo opstellen dat er een driehoek ontstaat met gelijke afstanden tussen de linker- en rechter luidspreker en tussen ieder luidspreker en de luisterpositie.

Het kan zijn dat er daarna een opstelling ontstaat waarbij men relatief ver in de kamer zit en op een op het eerste gezicht ongewenst grote afstand van de achterwand. Dit is echter behalve voor de meest gelijkmatige laag-weergave ook erg gunstig voor het waarnemen van de reflecties van de achterwand, zowel wat betreft de strekte als het tijdsverschil tussen het directe en gereflecteerde geluid (hierover later meer). Overigens werkt de 38% uit het plaatje ook goed tegen overmatig waargenomen resonanties...

Oplossing 2: demping met bass tubes
We hebben het hier over lage tonen. Deze hebben een lange golflengte en om deze met enig effect te kunnen dempen is er materiaal met voldoende dikte en met een hoge dempingsfactor nodig. Een vloerkleed of gordijnen helpt niet en kan e.e.a. juist slechter maken, omdat hiermee de hoge tonen wel- en de lage tonen niet gedempt worden en gevoelsmatig de lage tonen weergave nog zwaarder gaat klinken.

Als we het niet over de allerlaagste frequenties hebben, maar vanaf 60Hz, dan kan een bass-tube helpen. Het moet dan wel een echt werkende zijn, gevuld met dempingsmateriaal met verschillende dichtheid. Voor Rivasono heb ik bass-tubes ontwikkeld die vooral de laagste tonen absorberen en hiervoor voorzien zijn van een buitenkant die de hoge tonen niet dempt, maar verstrooit in de kamer. Omdat lage tonen, zoals eerder beschreven, lange golflengtes hebben dient de bass-tube ook voldoende dikte te hebben, wil het effectief zijn. In de praktijk minimaal 40 cm diameter.

Een veelvoorkomend misverstand is om schuimblokken of driehoekige bass-traps in de hoeken van de kamer te plaatsten. Nu is het zo dat geluidsabsorptie vrijwel altijd berust op het afremmen van luchtbewegingen. En waar is de luchtbeweging het laagst, in de hoeken van de kamer! Op deze plek is dus weinig luchtbeweging om af te remmen. Ondanks alle beloften werken bass-traps geplaatst in de hoeken, dus vrijwel niet. Er is een verschil tussen deze luchtbeweging en geluidsdruk (hoe hard het klinkt). Ondanks dat lage tonen vaak in de hoeken van de kamer het hardst klinken, hebben ze daar wel veel druk maar weinig beweging en zijn absorbers daar erg weinig effectief voor de laagste frequenties.

De best mogelijke oplossing om voor frequenties tussen ongeveer 60 en 250Hz iets te doen is een bass-tube geplaatst op een positie met een zekere afstand van de hoek en zijwand. Een absorber is in dit verband het meest effectief op een afstand van de hoek/wand van ¼ van de golflengte van de te dempen frequentie. Bij 250Hz is dat 34 cm uit de hoek, bij 100Hz is dat al 85 cm uit de hoek. Gelukkig is het niet zwart/wit, dus een goede, echt werkende bass-tube van voldoende diameter op 40 cm uit de hoek, een goede oplossing.

Oplossing 3: dubbele wand
Als er een thuisbioscoop of luisterruimte ingericht gaat worden, dan is een goede maatregel om een extra voorwand te plaatsen, bijv. op 40 of 60 cm afstand van de bestaande wand. De ruimte achter de nieuwe wand kan dan voorzien worden van absorberend materiaal (wel het juiste type nemen; niet gewoon spouwisolatie). Door het grote oppervlak en de goede diepte worden lage tonen effectief gedempt. Pieken worden lager en dalen in de sterkte hoger; resultaat is een slankere laagweergave met meer details.

Samen met een meubelmaker heb ik een houten HiFi meubel en een thuisbioscoop-meubel ontwikkeld die optisch dicht zijn maar akoestisch open voor het dempen van lage tonen. Apparatuur en kabels kunnen hiermee ook onzichtbaar worden weggewerkt.

Oplossing 4: bij verbouw of nieuwbouw op verhouding van afmetingen letten
Bij het plannen van een luisterruimte, thuisbioscoop of studio is het zeer verstandig hiermee rekening te houden. Er is een aantal ideale verhoudingen tussen lengte, breedte en hoogte waarbij samenvallende resonanties/harmonischen worden voorkomen. Hierdoor hoeven er later geen akoestische aanpassingen voor dit probleem worden toegepast en is er in de kamer op alle plekken een meer gelijkmatige waarneming van de sterkte van lage tonen.

Het gaat hier te ver om deze bouwkundige zaken te behandelen. Indien u nieuwbouw of verbouw overweegt, is het zeer raadzaam om vooraf even met ons contact op te nemen. Soms voorkomt een 10 cm. grotere of kleinere wandafstand later veel problemen!

Ten slotte
Dit artikel betreft alleen de issues bij lage tonen en is niet meer dan een samenvatting van de meest voorkomende zaken uit de praktijk. Wilt u meer weten of advies afgestemd op uw specifieke situatie, kunnen wij op eenvoudige manier een akoestische meting in uw kamer uitvoeren. Kijk op www.rivasono.nl voor informatie hierover.

Nog een keer een vervelend maar veel voorkomend effect, in het tweede artikel: galm en verschillen in het tijdsdomein. In het derde en laatste artikel van deze reeks de leuke dingen: de korte reflecties.

Naar deel 2

index